한국승강기안전공단

인버터제어란?

전동기의 속도 제어를 자유롭게 하기 위해서는 전동기의 토크를 자유자재로 가변하는 것이 기본이다. 전동기의 속도와 토크를 제어하는 방법으로서 직류 전동기는 워드 레오나드 제어, 동기 전동기는 무정류자 전동기 제어 방식이 널리 사용되고 있다.

전압과 주파수를 변환시키는 원리에 의거한 제어 방식은 단극 모터로서도 제어가 가능하므로 모터의 크기를 소형화할 수 있어 최신 기종의 승강기에 사용되며, 이러한 방식의 모터 제어를 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 제어 방식 혹은 인버터 제어 방식이라 한다.

파워 트랜지스터를 사용한 인버터 장치로, 제어는 전용 마이크로프로세서를 중심으로 벡터 제어 및 정현파 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 실행함으로써 매우 안정된 고정밀도의 제어 성능을 갖고 있다.

주회로는 정류기와 평활 콘덴서를 이용해 교류를 직류로 변환하여 전압형 인버터로 유도 전동기를 구동한다. 또한 전력 변환 장치는 전동기의 정회전, 역회전과 각각의 역행, 회생에 따른 운전에 대응하도록 구성되어 있다. 속도 제어는 디지털 속도 지령과 펄스 발생기에서의 속도 신호로 속도 제어 연산을 하여 토크 지령치를 마이크로프로세서에서 출력된 정현파 전류의 기준에 따라 제어되며, 1차 전압 제어(AC-VV)에 비하여 전동기 전류가 적어 전동기 자체의 손실에 의한 발열이 대폭 저감되어 외형도 작고 경량화되어 있다.

교류방식과 인버터 방식의 차이

AC-VV 제어 방식의 경우, 가속 시 1차 전압 제어를 하고 가속 특성은 전동기 특성에 의존하며, 감속은 발전제동(Dynamic Braking) 제어를 하고 있어 저속 영역에서 손실이 크게 발생하고 특히 가속 시 소비 전력이 크다. 반면, 토크에 맞도록 전압과 주파수를 제어함으로써 AC-VV 제어 방식에 비해 손실이 적다. 따라서 인버터 제어 방식에서는 가속, 정속, 감속에 이르기까지 전압과 주파수를 제어함으로써 부드러운 속도 특성을 얻을 수 있으며 소비 전력도 상당히 절감된다. 엘리베이터가 1회 왕복 운전에 소비되는 전력은 인버터 제어 방식이 1차 전압 제어 방식(AC-VV)에 비해 약 50% 이상의 전력 소비량이 절감된다.

PLC의 정의

PLC(Programmable Logic Controller)란, 종래에 사용하던 제어반 내의 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 LSI, 트랜지스터 등의 반도체 소자로 대체시켜, 기본적인 시퀀스 제어 기능에 수치 연산 기능을 추가하여 프로그램 제어가 가능하도록 한 자율성이 높은 제어 장치이다.

PLC의 적용 분야

설비의 자동화와 고능률화의 요구에 따라 PLC의 적용 범위는 확대되고 있다. 특히 공장 자동화와 FMS(Flexible Manufacturing System)에 따른 PLC의 요구는 과거 중규모 이상의 릴레이 제어반 대체 효과에서 현재 고기능화, 고속화의 추세로 소규모 공작 기계에서 대규모 시스템 설비에 이르기까지 적용되고 있다.

PLC의 구조

전체구성

PLC는 마이크로프로세서 및 메모리를 중심으로 구성되어 인간의 두뇌 역할을 하는 중앙처리장치(CPU), 외부 기기와의 신호를 연결시켜 주는 입출력부, 각 부에 전원을 공급하는 전원부, PLC 내의 메모리에 프로그램을 기록하는 주변 장치로 구성되어 있다.

PLC의 CPU 연산부

PLC의 두뇌에 해당하는 부분으로서 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 해독하여 처리 내용을 실행한다. 이 절차는 매우 빠른 속도로 반복되며 모든 정보는 2진수로 처리된다.

PLC의 CPU 메모리

IC 메모리 종류에는 ROM(Read Only Memory)과 RAM(Random Access Memory)이 있으며, ROM은 읽기 전용으로 메모리 내용을 변경할 수 없다. 따라서 고정된 정보를 저장하는 데 사용된다. 이 영역의 정보는 전원이 끊어져도 기억 내용이 보존되는 비휘발성 메모리이다. RAM은 메모리에 정보를 수시로 읽고 쓰기가 가능하여 정보를 일시적으로 저장하는 용도로 사용되나, 전원이 끊어지면 기억된 정보 내용을 상실하는 휘발성 메모리이다. 그러나 필요에 따라 RAM 영역 일부를 배터리 백업을 통해 비휘발성 영역으로 사용할 수 있다.

PLC의 입출력부

PLC의 입출력부는 현장의 외부 기기에 직접 접속하여 사용한다. PLC 내부는 DC +5(V)의 전원(TTL 레벨)을 사용하지만 입출력부는 다른 전압레벨을 사용하므로 PLC 내부와 입출력의 접속은 시스템 안정에 결정적인 요소가 된다.

PLC의 입출력부는 다음의 사항이 요구된다.

외부 기기와 전기적 규격이 일치해야 한다.

외부 기기로부터의 노이즈가 CPU 쪽에 전달되지 않아야 한다. [포토 커플러(photocoupler) 사용]

외부 기기와의 접속이 용이해야 한다.

입출력의 각 접점 상태를 감시할 수 있어야 한다. (LED 부착) 입력부는 외부 기기의 상태를 검출하거나 조작 패널을 통해 외부 장치의 움직임을 지시하고 출력부는 외부 기기를 움직이거나 상태를 표시한다.

입력부

외부 기기로부터의 신호를 CPU의 연산부로 전달하는 역할을 한다. 입력의 종류로는 DC 24[V], AC 110[V] 등이 있으며, 그 밖의 특수 입력 모듈로는 아날로그 입력(A/D) 모듈, 고속 카운터 모듈 등이 있다.

출력부

내부 연산의 결과를 외부에 접속된 전자 접촉기나 솔레노이드에 전달하여 구동시키는 부분 이다.